Projekt BIOSYNTH

Zukunftstechnologie – DNA als Datenspeicher

DNA als Speichermedium für Daten
© Fraunhofer FEP
DNA ist nicht nur Speichermedium für genetische Informationen, sondern kann auch zur Speicherung von Daten genutzt werden.

Das weltweite Datenvolumen hat sich allein in den letzten drei Jahren verdoppelt. Heutzutage entstehen täglich Datensammlungen in der Größe von mehreren Terabytes. Ein Großteil dieser Daten wird nach 90 Tagen archiviert mit dem Ziel, diese lange aufzubewahren. Insbesondere für derartige Daten, auf die vergleichsweise selten zugegriffen wird, besteht die Notwendigkeit einer sicheren, langfristigen, aber preiswerten Aufbewahrung in hoher Komprimierung.

DNA ist nicht nur Speichermedium für genetische Informationen, sondern kann auch zur Speicherung von Daten genutzt werden – eine Zukunftstechnologie, die aktuell in Europa noch wenig erforscht ist. Die wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung eines biologischen Massendatenspeichers mit hoher Speicherdichte und Beständigkeit ist eine deutliche Verbesserung der DNA-Synthese, für die es bislang noch keine Hochdurchsatz-Technologie gibt. Bisherige Synthese-Ansätze sind insbesondere bei der Produktion langer DNA-Segmente sehr wenig effizient und generieren Ungenauigkeiten, deren Korrektur zeitaufwändig und teuer ist. Darüber hinaus ist die Gerätetechnik bislang äußerst platz- und kostenintensiv.

Das Potenzial dieses Forschungsfelds adressiert nun ein Konsortium aus Fraunhofer-Instituten, um Know-how aus Ingenieurswissenschaft, Mikroelektronik, Informatik und Biotechnologie zusammenzuführen.

Ziel des Projekts BIOSYNTH

Im Projekt BIOSYNTH wird mithilfe einer universellen Mikrochip-Plattform zum DNA-, RNA- und Peptid-Schreiben eine verbesserte DNA-Synthese angestrebt. Dafür soll eine auf herkömmlichen Mikrochip-Fertigungstechnologien basierende Plattform zum Schreiben von Software-definierten Nukleotidsequenzen (z. B. DNA, RNA oder Peptide) entwickelt werden, welche künftig durch Vervielfältigung in den Serienfertigungsprozessen der Mikroelektronikindustrie die hochparallele Herstellung von Massendatenspeichern im Hochdurchsatz ermöglichen wird. Mithilfe der Plattform sollen durch Miniaturisierung die heute raumfüllenden Synthese-Geräte durch portable, energiearme und kostengünstige Systeme ersetzt und so die kommerzielle, biologisch basierte Datenspeicherung ermöglicht werden. Darüber hinaus kann die Plattform auch für weitere Anwendungen wie Bio-Computing oder individualisierte Therapien eine wichtige Komponente darstellen.

Um die Datenspeicherung auf dieser neuen Plattform umzusetzen, entwickelt die Gruppe Bioinformatik am Fraunhofer ITEM spezielle Kodierungsverfahren.

Dafür wird folgendes benötigt: 

  1. Universelle Mikrochip-Plattform mit thermischer Synthese und optischem Monitoring
  2. Darauf basierendes Vehikel zum DNA-/RNA-/Peptid-Schreiben
  3. Entwicklung von Datenkodierungsverfahren speziell für die entwickelte Plattform (Transformation binärer Daten in DNA/RNA/Peptide, Fehlerkorrektur, Random Access, Indexverfahren) 
Kodierungsverfahren
© Fraunhofer ITEM, Lena Wiese
Um die Datenspeicherung auf dieser neuen Plattform umzusetzen, entwickelt die Gruppe Bioinformatik am Fraunhofer ITEM spezielle Kodierungsverfahren.

Das BIOSYNTH-Konsortium

 

Fraunhofer ITEM: Datenintegration

Bioinformatische Analyse von Hochdurchsatzdaten aus Next-Generation-Sequencing- oder Microarray-Experimenten. Methodenspektrum von KI, Big-Data- und Hochdurchsatz-Technologien, Datensicherheit.

Ansprechpartnerin: L. Wiese

 

Fraunhofer FEP: Si-CMOS- und Photonik-Ebene

OLED-auf-Silizium-Technologie für bidirektionale Mikrodisplays: Integration von spektral angepassten, mikrostrukturierten Lichtquellen (OLED) auf Silizium-CMOS.

Ansprechpersonen: U. Vogel, P. Wartenberg , B. Richter 

 

Fraunhofer IPMS: Thermo-Ebene für die Mikrochip-Plattform und Simulation

Heizfunktion zur Einstellung der Temperatur für die biologische Synthese durch Strukturen in der Oberflächenmikromechanik in Anlehnung an die CMUT-Technologie sowie Expertise zur Simulation der thermischen Funktionalität.

Ansprechpartner: M. Müller

 

Fraunhofer IZI-BB: Synthese-Ebene

Zellfreie Bioproduktion, Mikrofertigungstechnologien, Mikrofluidik und biochemische Synthese.

Ansprechpartner: E. Ehrentreich 

Publikationen

  • A. Usmani, L. Wiese: Modelling of Efficient Graph-aware Data Storage using DNA. Proceedings of the 11th International Conference on Data Science, Technology and Applications, DATA 2022, Lissabon, Portugal, 11.-13. Juli 2022. SCITEPRESS 2022.
  • L. Wiese, A. O. Schmitt, M. Gültas: Big Data Technologies for DNA Sequencing. Encyclopedia of Big Data Technologies. Springer 2019.
  • U. Vogel, P. Wartenberg, S. Brenner, G. Bunk, S. Ulbricht, M. Rolle, J. Baumgarten, P. König, B. Richter, K. Fehse, C. Schmidt, M. Schober: OLED/OPD-on-silicon for wearable near-to-eye microdisplays and sensing, The 19th Int’l Meeting on Information Display, 27.-30. August 2019, Gyeongyu, Korea.
  • U. Vogel, P. Wartenberg, B. Richter, S. Brenner, K. Fehse und M. Schober (Sept. 2018): OLED-on-silicon microdisplays: technology, devices, applications. In: 2018 48th European Solid-State Device Research Conference (ESSDERC), S. 90-93, IEEE.
  • M. Jahnel, M. Thomschke, K. Fehse, U. Vogel, J.D. An, H. Park, K. Leo, C. Im: Thin Solid Films (2015), S. 94-98. DOI: 10.1016/j.tsf.2015.08.034
  • K. Leo, U. Vogel: “Chip for analyzing a medium comprising an integrated organic light emitter”, US2009134309A, 2007.
  • M. Klemm, A. Unamuno, L. Elsaber, W. Jeroch (2015): Performance Assessment of CMUT Arrays Based on Electrical Impedance Test Results. In: J. Microelectromech. Syst. 24 (6), S. 1848–1855. DOI: 10.1109/JMEMS.2015.2445937.
  • S. G. Koch, N. Lange, M. Kircher, M. Krenkel, M. Grafe, D. Rudloff, J. Amelung (2017): Kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler (CMUT) für die zerstörungsfreie Prüfung und Überwachung. In: VDE und BMBF (Hg.): MikroSystemTechnik Kongress 2017. Proceedings. MikroSystemTechnik Kongress. München, 23.-25. Oct. VDE, BMBF. Frankfurt am Main: VDE, S. 735–738.
  • M. Krenkel, S. G. Koch, S. Reitz, P. Scharf, D. Ernst, M. Wolf (2021): Miniaturized annular arrays for focused ultrasound. In: MikroSystemTechnik Kongress 2021. Mikroelektronik, Mikrosystemtechnik und ihre Anwendungen - Innovative Produkte für zukunftsfähige Märkte: 08.-10. November 2021, Stuttgart-Ludwigsburg. VDE Verlag; VDE e. V. Berlin: VDE Verlag, S. 270–273.

Ihre Ansprechpartnerin am Fraunhofer ITEM

Lena Wiese

Contact Press / Media

Prof. Dr. Lena Wiese

Leiterin Attract-Gruppe Bioinformatik »IDA – Intelligente Datenanalyse für Gesundheit und Chemikaliensicherheit«

Telefon +49 511 5350-303